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淺析溫度傳感器的研究與發展

時間:2015-11-18 | 瀏覽量:1403
溫度是一個基本的物理現象,它是出產過程中應用最普通、最重要的工藝參數,不管是工農業出產,仍是科學研究和國防現代化,都離不開溫度丈量及溫度傳感器。它是現代測試和產業過程控制中應用頻率最高的傳感器之一。然而,溫度的正確丈量并非輕而易舉,即使有了正確度很高的溫度傳感器,但是,假如丈量方法選擇不當或者丈量的環境不能知足要求,則都難以得到預期的結果。

溫度丈量的最新進展

當前,固然主要的溫度傳感器,如熱電偶、熱電阻及輻射溫度計等的技術已經成熟,但是只能在傳統的場合應用,不能知足很多領域的要求,尤其是高科技領域。因此,各國專家都在針對性的競爭開發各種新型溫度傳感器及特殊的實用丈量技術。

光纖溫度傳感器

光導纖維(簡稱光纖)自20世紀70年代問世以來,跟著激光技術的發展,從理論和實踐上都已證實它具有一系列的優勝性,光纖在傳感技術領域中的應用也日益受到廣泛正視。光纖傳感器是一種將被丈量的狀態轉變為可測的光信號的裝置。它是由光耦合器、傳輸光纖及光電轉換器等三部門組成。目前已有用來丈量壓力、位移、應變、液面、角速度、線速度、溫度、磁場、電流、電壓等物理量的光纖傳感器問世,解決了傳統方式難以解決的丈量技術題目。據統計,目前約有百余種不同形式的光纖傳感器,用于不同領域進行檢測??梢灶A料,在新技術革命的浪潮中,光纖傳感器必將得到廣泛的應用,并施展出更多的作用。

特種測溫熱敏電纜

熱電偶是傳統的溫度傳感器,用途非常廣泛。近年來,又發展出了一種新的測溫技術,能在火災事故預警中有獨特的應用。這種新型溫度傳感器稱為特種測溫熱敏電纜,又被稱為連續熱電偶Continuous Thermocouple)或尋熱式熱電偶(Heating Seeking Thermocouple)。

熱敏電纜利用電偶熱電效應,但丈量的不是偶頭部的溫度,而是沿熱電極長度上最高溫度點的溫度。因為這種獨特功能,最初被發達國家作為高精技術設備鋪設在航空母艦、驅逐艦的艦艙以及軍用飛機等軍事設備中。目前,已被廣泛應用到各個領域來預防和減少因“過熱”引起的事故和損失。

熱敏電纜的主要機能

目前,熱敏電纜主要有兩種產品類型(FTLD和CTTC),它們測溫原理相同,只是技術參數不同。

材料構成 外層保護管:FTLD型采用雙層聚四氟乙烯,CTTC型采用鉻鎳鐵合金。為有效避免丈量環境中的粉塵、油脂以及水分等介質浸入,以及溫度范圍不同而引起的誤報,故采用不同材料。測溫元件:K型熱電偶。

形狀尺寸 目前現有的產品長度約6~15m,若需長度加大,可以將幾根熱敏電纜連接起來。外徑尺寸FTLD為f3.5mm,CTTC為f9.3~18.7mm,可安裝在傳統探頭無法鋪設到的惡劣環境中。

工作溫度FTLD為-40~200℃,CTTC為-40~899℃。

分度與敏捷度 熱敏電纜的分度與普通熱電偶相近,因為連續熱電偶的“臨時”熱接點不是緊密連接,熱接點之外兩電極間也并非完全絕緣,所以熱敏電纜的輸出熱電勢與同種熱電偶比擬稍有降低,換算成溫度大約相差十幾攝氏度,這對于火警預告來說是可以接受的。

彎曲半徑 除和熱敏電纜組成材料的機能和質量有關外,還與隔離材料的密實程度有關。一般彎曲半徑為熱敏電纜外徑的10~20倍。

石英溫度計

跟著出產及科學技術的發展,各部分對溫度丈量與控制的要求越來越高,尤其對高精度、高分辨率溫度傳感器的需求越來越強烈,普通的傳感器難以知足要求。

石英溫度計的特性

高分辨率分辨率達0.001~0.0001℃。 高精度 在-50℃~120℃范圍內,精度為±0.05℃。普通溫度計的精度為±0.1℃。

誤差小 熱滯后誤差小,響應時間為1s,可以忽略。

機能不亂 它是頻率輸出型傳感器,故不受放大器漂移和電源波動的影響,即使將傳感器遠間隔(如1500m)設置也不受影響,但是抗強沖擊機能較差。

石英溫度計的應用

石英溫度計既可用于高精度、高分辨率的溫度丈量,又可作為尺度溫度計進行量值傳遞,也可以在現場穩態溫度場合下進行精密測溫或用于恒溫槽的精密控溫,還可用作遠間隔多點溫度丈量等。

聲學溫度計

聲學測溫技術具有測溫原理簡樸、非接觸、測溫范圍寬(0~1900℃)、可在線丈量等長處,現已應用于發電廠、垃圾焚燒爐、水泥回轉窯等產業過程的溫度丈量和控制。

利用超聲波丈量氣體溫度

利用丈量超聲波在氣體中傳播速度因溫度不同而變化的溫度計稱為超聲波溫度計。用超聲波丈量氣體溫度具有響應速度快、不受外壁熱輻射影響等長處。丈量對象十分廣泛,從滾梯上方氣體的均勻溫度,到內燃機混合氣體爆炸燃燒時的溫度丈量等。

超聲波丈量氣體溫度的工作原理與聲學測溫相同,聲速的丈量方法有兩種:

脈沖法丈量 假如揚聲器與收音器間的間隔為l,傳播的時間為τ,則可依據u=l/τ,求得u。當丈量場所有風時,若直接丈量聲速將產生誤差。在這種情況下,將揚聲器與收音器交換丈量,選用兩者的均勻速度更為正確。

共振法丈量 利用共振頻率f=u/l可求得u。

固體超聲波溫度計

利用聲波在固體中傳播速度,隨溫度而變化的溫度計稱為固體超聲波溫度計。因為聲波在固體中傳播時,聲速的敏捷度隨溫度的升高而增大,因此,這種溫度計更合用于高溫丈量。

核四級共振溫度計(NQR溫度計)

核磁共振是原子核系統的磁共振。具有核自旋的物質處于靜磁場中,當在靜磁場垂直方向加電磁波時,將對某頻率的電磁波產生吸收現象即為核磁共振。氯酸鉀KCIO3晶體中核自旋具有電四極矩的CI35原子核,在軸對稱電場梯度中,自旋產生能級躍遷,泛起吸收電磁波的現象,稱核四級共振。利用共振吸收頻率隨溫度升高而減少的特性制成的溫度計,稱為核四級共振溫度計。該溫度計可以作為尺度溫度計或高精度實用溫度計。

NQR溫度計的特性

高正確度、高分辨率 正確度可達±0.005K;共振吸收頻率與溫度的相關性好,在室溫四周為5kHz/K,分辨率達1mK。

不需要分度 溫度與吸收頻率的關系,只取決于KCIO3的結構,從根本上保證良好的重現性(在6Kz以下)。

互換性好 在水三相點其互換性為±10Hz,機能極其優勝。

輸出為頻率信號,輕易保護高精度 可利用尺度電波、電視信號等作高精度的基準信號,便于數字化處理。

溫度范圍廣 對于高精度丈量合用于室溫至低溫范圍。 從檢測微弱的吸收信號直到轉換成溫度,可全部實現自動化。

熱噪聲溫度計

因為電子的熱運動,可在電阻的兩端產生由熱噪聲引起的電位起伏。這種熱噪聲又稱約翰遜噪聲,熱噪聲電壓與溫度之間存在確定關系。利用熱噪聲電壓與溫度的相互關系,可制成熱噪聲溫度計。熱噪聲溫度計具有如下特性:不需要分度;與傳感器材料無關,不受壓力影響;傳感器的阻值幾乎不影響丈量精度;測溫范圍廣(4-1400K)。

因此,熱噪聲溫度計可望成為一種理想的測溫方式。然而,熱噪聲溫度計產生的電壓信號小,信號處理難題,操縱也復雜,至今仍未實用化。

半導體集成電路溫度傳感器

眾所周知,晶體管的基極— 發射極的正向壓降跟著溫度的升高而減少。利用P-N結的這一固有特性,可制成溫度傳感器。AD590集成電路溫度傳感器就是典型的一種,DS1820則是最新的發展。

DSl820智能溫度傳感器

智能溫度傳感器是在半導體集成溫度傳感器的基礎上發展起來的。其主要長處是采用數字化技術,能以數字形式直接輸出被測溫度;能夠遠程傳輸數據;用戶可設定溫度上、下限,具有越限自動報警功能;自帶總線接口,適配各種微處理器和單片機,便于開發具有一定智能功能的溫度測控系統。其中,DS1820就是典型的智能溫度傳感器。

基本特性

DSl820是美國出產的可組網數字式溫度傳感器。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。因體積小、轉換快、分辨率高、數字量傳輸等,使其在多點測溫、智能溫度檢測系統中有著廣泛的應用。與其他溫度傳感器比擬,DS1820具有以下特點:

● 獨特的單線接口方式;

● 支持多點組網功能;

● 在使用中不需要任何外圍元件。

● 測溫范圍為-55~+125℃;

● 丈量結果以9位數字量方式串行傳送。

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